中國青海北部，阿爾金山南麓的戈壁灘上，因湖得名的冷湖鎮坐落于此。這一無人區在上世紀六七十年代因石油而興，最終因資源枯竭而重歸寂靜。近年來的冷湖，則在以一種新的方式慢慢“回溫”——天文觀測。

《青藏高原上的冷湖天文臺址》（Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site）

北京時間8月18日23時，頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發表了來自中國團隊的一項研究，題為《青藏高原上的冷湖天文臺址》（“Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site”）。研究團隊在青藏高原尋覓到一個新的潛在天文觀測點——冷湖天文觀測基地。該臺址坐落于冷湖鎮附近賽什騰山區域的一處峰頂，海拔4200多米，可以和夏威夷莫納克亞（Mauna Kea）這樣舉世公認的最佳天文臺址比肩。

冷湖臺址地理位置。

“綜合來看，這是一個世界級的天文觀測臺址?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、同時也是第一作者的鄧李才在接受澎湃新聞（www.6773257.com）記者采訪時篤定地表示。該研究由中科院國家天文臺、中國科學院大學、西華師范大學、中國科學院地質與地球物理研究所、中科院紫金山天文臺青海觀測站等團隊的研究人員聯合完成。

鄧李才1993年在意大利國際高等研究院獲理學博士學位，1994年在意大利帕多瓦天文臺、1995年至1997年在國家天文臺（原北京天文臺）進行博士后訓練，1997年入選中科院百人計劃，1998年起任北京天文臺研究員。1999年至今，鄧李才任國家天文臺創新團組首席研究員。曾任國家重大科學工程項目LAMOST銀河系結構巡天科學工作組組長，負責組織LAMOST銀河系恒星巡天的科學計劃工作。

作者群像。中間是一幅全天相機圖像，圖右上側可以看到2020年最亮的彗星NEOWISE/F3。研究團隊供圖

這項研究的數據覆蓋2018年至2020年的整整3年時間。2020年12月20日晚，首臺到達冷湖賽什騰觀測基地的科學級望遠鏡50Bin成功實現科學觀測，得到的第一幅圖像測量顯示，星象的半高全寬是0.68角秒，與選址設備DIMM給出的視寧度測量值高度一致。鄧李才稱之為“賽什騰的第一縷光”。

截至目前，從已經建成和正在建設的規模來看，鄧李才認為冷湖無疑已經是“中國最大的天文臺?！备鼮橹匾氖?，有著“第三極”之稱的青藏高原上是整個國際天文學界的向往之地，“在這里發現好的天文觀測臺址，是一個共同的愿望，而我們實現了這樣的愿望。”

“目前，能達到下一代望遠鏡建造和運行要求的優良天文觀測臺址都在西半球，冷湖補上了東半球的缺失，這樣就可以形成一個24小時的監測網絡，這是對全世界天文學界的貢獻?！编嚴畈疟硎?。

星空流轉：這是2019年7月27日夜（一般情況），全天監控相機圖像制作的動畫。研究團隊供圖

下一代大型地基望遠鏡何處安家

中國地面光學天文裝置與國際的差距甚大。

上世紀90年代開始，國際上架起了十幾座8-10米口徑望遠鏡，這些具備成像觀測能力的通用型望遠鏡構成了目前全球領域內的“豪華陣容”。不僅如此，三架30米級的望遠鏡也正在研制中，其中的GMT（巨型麥哲倫望遠鏡）已經部分完成投入工作。

相比之下，中國光學望遠鏡目前最大口徑為位于國家天文臺興隆基地的2.16米口徑望遠鏡和云南麗江的2.4米口徑望遠鏡。而口徑更大的郭守敬望遠鏡（LAMOST）是一臺4-6米級的光譜巡天望遠鏡，它具備“普查”功能，但不具備成像觀測能力。

2016年底，《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》（下稱“《規劃》”）正式公布，大型光學紅外望遠鏡被列入優先啟動的10個項目。《規劃》明確提出，“優選臺址，建設一架12米級口徑光學紅外望遠鏡，具備多目標、暗天體高分辨成像和光譜觀測的精測能力?！?/p>

12米級口徑光學紅外望遠鏡設施的建成，被認為將有助于使我國光學極限探測能力處于國際領先行列，大幅提升天文觀測重大發現的綜合能力，同時為相關領域的前沿研究提供重要支撐，帶動我國先進光學技術的創新發展。

下一代大型地基望遠鏡落在哪里？這是一個更需先行解決的問題，這項工作也被稱為臺址選擇?！皩I的天文觀測臺址，實際上每一個都是經過嚴格選址的?！编嚴畈盘岬?，無論是紫金山天文臺，抑或是興隆觀測站、云南天文臺，這些早期落成的天文臺都是經過篩選評審決定的。“這些臺址在當時看來都是滿足需求的。”

然而，隨著經濟條件、工程技術等限制因素的突破，天文學家們開始將下一代天文望遠鏡的臺址聚焦于更理想之地?！拔覀冋嬲磭H標準去尋找臺址，實際上是從2000年左右開始?！?/p>

好的天文臺應該是怎樣的？鄧李才首先給出了一個大致的地域特色，“最好的天文臺現在都是在荒漠或者裸露的巖石上建成?！毕耐牡哪{克亞、智利的阿塔卡馬，這些頂級的天文臺無一例外?！拔覀儑鴥痊F有的天文臺都在綠樹成蔭的地方，這實際上非常不利于天文觀測。”

2000年以后，中國的天文學家將眼光投向西部，在胡煥庸線以西以北的無人區，尋覓具有“國際范”的臺址。西藏阿里、新疆帕米爾高原的慕士塔格、川藏滇交界處的稻城，均在此后陸續成為候選臺址的熱門之地。

“2000年之后的這些工作，一開始僅僅是作為一種戰略儲備，我們知道未來可能會發展設備，先去找一找，但是并沒有一個具體的設備來驅動?！编嚴畈盘岬剑袊奶煳膶W界真正為大型望遠鏡尋找臺址，始于2016年，“也就是為12米級口徑光學紅外望遠鏡選址?！?/p>

啟動較晚的冷湖不在當時的12米級選址之列，但它有另一番屬于自己的故事。

從德令哈一直往西，渺無人煙處

鄧李才從2009年開始深入青海，其團隊在中科院紫金山天文臺青海觀測站工作。青海觀測站于1982年開始建設，位于青藏高原、青海省第三大城市德令哈，這里海拔3200米，東經97°33'.6，北緯37°22'.4。青海站也被稱為德令哈天文觀測基地。

“第一次去的時候，我到了西寧，找我一個大學同班同學，他在青海工作，他跟我說，你放望遠鏡為什么不放到冷湖？”在當地人的印象中，冷湖日光充足，晚上星空特別好。

什么是冷湖？“從德令哈一直往西開，開幾個小時見不到人煙了，那個地方就是冷湖?！边@是鄧李才第一次聽說的冷湖。

實際上，冷湖進入過中國天文學家的選址之列，隨后卻又被剔除。冷湖地區存在大面積的風蝕地貌，且比鄰塔克拉瑪干沙漠，“這個地方雖然日照好，夜空晴朗，但是它有風沙，不適合建設天文臺?！边@是前人下過的結論。

針對冷湖的風沙問題，鄧李才等人做了些功課，他更相信數據?！皬目茖W角度來看，風沙是隨高度呈指數衰減的一種物理現象，我的判斷是，只要有山，風沙問題就應該不存在。”

鄧李才等人后來還專門為此購置了基于直接計數單位體積顆粒數原理的粉塵儀，對選定的臺址觀測點的顆粒物和氣溶膠進行了長期監測。結果顯示，至少柴達木地區內肆虐的風沙對4000米以上的地區沒有影響，冷湖候選臺址點的PM10指數通常只有個位數。直觀感受也支撐他們的判斷，在盆地沙塵暴之時，從C點可以清楚地看到沙塵頂部與藍天的明顯分界線。

“一定要到實地去看，通過數據給出答案，不能僅僅通過一些資料，這是不夠嚴謹的?！?/p>

賽什騰山建設工地沐浴在日落的余暉中，水平線之下是略帶浮塵的柴達木盆地，一望無際。研究團隊供圖

真正抵達冷湖的契機發生在2017年?！拔以诘铝罟幸粋€項目，當時我去的時候條件還不錯，等我把望遠鏡架起來，開始工作以后發現德令哈變得太亮，我的工作就進行不下去了，當時就在想可能要搬到一個新的地方去?！焙髞碚驹诶浜^測臺址的山頂，鄧李才在夜空下曾說道，“對我們天文學家來說，篝火都是一種光污染?！?/p>

與此同時，地方政府也有著轉型發展的計劃，海西州希望打造冷湖天文科技和文創旅游產業基地。在德令哈大幅亮化之后，時任冷湖行政委員會副主任田才讓（現任柴達木循環經濟試驗區冷湖工業園黨委常務副書記、管委會常務副主任）給鄧李才帶去了一份紅頭文件，海西州啟動將冷湖全域1.78萬平方公里全部設成暗夜保護區的計劃。

“這給了我很大的信心，不光是我，這對以后建天文臺都是非常重要的一個標準。實際上，現在國際上所有的天文臺，都受到來自于地面的光污染影響，任何一個天文臺都有這個問題，而冷湖能夠在我們啟動之前就解決這個問題。”

論文中也寫道，光污染主要是人類活動的結果，青海省位于青藏高原，人口較少，目前不存在人工光源問題。但是，這并不意味著未來就不會發生工業發展。如果當地人口隨著經濟的發展而增長，那么光污染也會不可控。

“科學研究和工業之間的這種潛在沖突需要一個解決方案。”鄧李才認為，這一暗夜保護計劃也是此次發表論文的亮點之一，因此會受到全球更廣泛的關注。

抵達冷湖，爬山是生死考驗

2017年10月，鄧李才等人第一次來到冷湖，鎮東部的賽什騰山最終成為他們的首選目標。鄧李才此前在一篇撰文中曾寫道：這是天文學家以選址為目的第一次來到冷湖。

2018年2月16日，海西州政府州長主持會議，啟動冷湖天文選址項目。海西州提供全部選址經費，并委托鄧李才項目組執行。

心儀之地就在眼前，而困難才剛剛開始。“實際上，我們在2017年10月抵達當天就遇到了困難。”鄧李才回憶道，一行人當天抵達山腳下時正好入夜，“星空特別好，我還拍了星空，出來時天黑看不清楚路，當地的司機知道方向，開到路邊上，離那條路只有50米，但我們花了兩個小時才上路，原因是那里有個光纜的大溝，汽車就在里頭轉，甚至發生陷車。”

值得一提的是，為便于選址項目的實施，海西州政府還決定由州財政支持，從山下修一條砂石路至選址點。然而，在花崗巖實體的山修路并非易事，“我們當時以為大概半年能修上去，最后我們發現半年下來只修了2公里，總共是15公里?！?/p>

交通不便的影響短時間內無法消除。最初，研究團隊在山腳下建了臨時基地，觀測云量、天光背景和氣象參數。然而，像視寧度這樣的參數，則必須要到建設望遠鏡的目標點去獲得。

所謂的視寧度，是表征大氣湍流造成望遠鏡成像抖動的模糊程度，是光學紅外天文觀測臺址最重要的參數之一。視寧度數值越小，說明大氣湍流越弱，成像的角分辨率越高，望遠鏡對暗弱天體的探測能力就越強。當我們仰望星空，星星閃爍，就是這樣的大氣湍流造成。

第一次實地踏勘賽什騰山頂峰，比后來建設的C點高300多米。研究團隊供圖

2018年5月，海西州政府租賃的警用直升機來到冷湖，研究團隊經過溝通后得以搭乘直升機實地考察山頂。首批抵達山頂的是鄧李才、田才讓及另一位道路設計公司負責人。

而登山還發生了一段小插曲。當被問及第一次到達山頂時的感受，鄧李才出乎意料用“悲催”二字來形容?！暗谝惶焐先サ臅r候，我是第一個從飛機上跳下去的，腳尖踩在那里，山上還有雪，我還留了一張照片，說這是人類在這座山上留下的第一個腳印。但悲催的是，第一次實際上上錯了，第二天我才真正到達我們后來的選址點。”

研究團隊當時并沒有好的技術方法確定山上的具體位點，完全憑感覺，而搭乘直升機飛到山頂和平時看衛星地圖是“兩回事，區別很大”。第二天的上山則更為謹慎，直升機飛到山體上方后大概在空中盤旋了近40分鐘，最終確定了正確的位點，也就是海拔4200左右的一個點。

直升飛機運送選址的選址需要的基建物料，2018年7月。研究團隊供圖

隨后，這輛直升機還幫助研究團隊往山頂吊運了二十幾噸基建材料和相關設備，其中包括測量視寧度所需的一座10米高塔的建設材料。由于直升機運輸能力有限，吊運工作持續了近一周，“最忙碌的一天從山腳往山頂飛了80趟?！?/p>

登山途中與幫忙運送物資的藏族兄弟相遇，左一為鄧李才。研究團隊供圖

直升機的助力告一段落?！罢嬲先ゴ罱ㄔO備，我們就只能爬山。”鄧李才將之視為團隊遇到的最大困難，也是真正的生死考驗。攀登沒有路，團隊靠著自己的標記前進，山體險陡，而且人還是在高海拔狀態下爬山，“我們團隊每個人都是爬了幾十次?！?/p>

研究團隊在海拔4200米處的監測始于2018年9月，1個月后，視寧度監測也開始運轉。

2018年7月19日，選址點基建尚未完成。鄧李才（右）和楊帆（左）把視寧度監測系統架設在選址點的地面進行了第一次試驗，結果是0.79角秒，非常令人振奮。研究團隊供圖

這里是冷湖，國際水平的天文臺址

三年的數據積累后，冷湖給出了怎樣的答案？“我們認為，綜合來看這個臺址是世界級的?！?/p>

鄧李才表示，冷湖臺址的一些參數比國際上最好的天文臺差一點，比如說晴夜的數量，“因為我們是一個大陸的站點，其他的都在海岸線上或者是海島，它們有天然優勢?！钡瑫r有些參數要更好一些，“比如說像水汽，青藏高原非常高，所以它水汽普遍比較低，這就適合于作為大型望遠鏡的臺址?！?/p>

冷湖臺址和世界其他知名天文臺址參數比較。

從論文細節來看，為了評估冷湖的可觀測時間，研究團隊使用了一個自行二次開發的帶魚眼鏡頭佳能相機作為的全天監測系統(LH-Cam)。自2018年3月開始，無論天氣狀況如何，白天每20分鐘拍攝一次全天圖像，黃昏至黎明期間每5分鐘拍攝一次。數據顯示，2018年到2020年期間,平均每年有超過90個完全晴朗的夜晚，完全晴朗連續超過4小時的有240個夜晚，超過2小時的有280個夜晚。

總的來說，冷湖臺址的優質晴夜時間占比為70%，略低于Mauna Kea（76%）、Cerro Paranal（71%）、La Palma（84%）這三個站點。

差分圖像運動測量儀DIMM視寧度統計數據方面，研究總共收集了近50萬個數據點，最終有效測量數據為383825個。剔除熱點和天氣影響后，研究團隊監測點視寧度的中位值是0.75角秒（1度=60角分=3600角秒），大約75%的數據低于1角秒。

論文中提到，對于尖端天體物理問題中非常微弱或高紅移目標的極端觀測要求，需要高空間分辨率和長時間曝光。良好的自然視寧度是自適應光學系統工作的關鍵要求，特別是對于大口徑望遠鏡。值得驕傲的是，冷湖與世界上其他已知最佳觀測點的總視寧度對比仍有著優勢。

相較而言，冷湖的視寧度中位值與Mauna Kea相同，均為0.75角秒，而比Cerro Paranal（0.80角秒）和La Palma（0.76角秒）的視寧度中位值則要更好。

研究團隊認為，從總視寧度來看，冷湖可以與最成熟的觀測點相媲美，顯然也是青藏高原上目前監測的最好觀測點?！叭蛑芯暥葏^這些最佳的觀測點，再加上冷湖，就形成了一個可能的最佳條件網絡，僅次于南極洲冰穹上的站址候選地?！?/p>

鄧李才等人認為，視寧度和晴夜質量俱佳，則是考慮未來潛在觀測點時的一個關鍵參數。為了定量評價冷湖觀測點的質量，他們根據每晚連續可用觀測時間(cAOT)的長度和DIMM視寧度的中位數定義了觀測點質量矩陣。

這也被鄧李才形容為是專門發明了一個天文臺的打分系統。在這套打分系統下，冷湖臺址得分為65%，和得分均為66%的Cerro Paranal(1999-2012)、La Silla(2000-2008)的相當，其中使用的數據均為公開可獲得?！盎谶@個原因，正如論文中提到，我們敢判斷說冷湖臺址是一個國際水平的臺址?！?/p>

在其他數據方面顯示，冷湖臺址夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時間占比（55%）優于Mauna Kea（54%），遠優于智利和其它地區的大型光學天文臺。

論文中提到，目前設計的所有大型天文觀測設施都是針對尖端科學目標，如極早期宇宙的物理學和尋找系外行星的生命跡象。為了實現這些目標，地面觀測通常是通過紅外波長自適應光學儀器進行。而可沉淀的水汽是實現這些科學目標的一個決定性因素。

溫度方面，實際測量顯示，夜間臺址點氣溫起伏（峰谷差）中位值僅為2.4度，這意味著地面層的大氣非常穩定。該區域的風以西北方向為主導，風速的中位值為4.5米/秒。

建設中的賽什騰C點的觀測設施。

世界級的天文臺址將帶來什么效應？鄧李才回應道，“我們只是完成一個選址任務，但我們沒法決定將來的事情。”但他相信，一個優良的臺址，自然會吸引到各地的天文學家。據其介紹，冷湖臺址在監測數據積累兩年之際，即形成了總體判斷，同時受到外界關注。

公開信息顯示，今年5月11日，中國科學技術大學——紫金山天文臺2.5米大視場巡天望遠鏡項目在青海海西冷湖天文觀測基地開工建設，該望遠鏡建成后將成為北半球時域巡天觀測口徑最大、能力最強的望遠鏡，總投資為2億元。

隨后的5月27日，青海省政府與清華大學簽署“寬視場巡天望遠鏡（MUST）”項目合作協議，共同在冷湖鎮賽什騰山建設“寬視場巡天望遠鏡”項目，建設一架口徑6.5米的寬視場(光譜)巡天望遠鏡，并將該項目建成世界頂級天文大科學裝置。根據協議，MUST項目總投資額約13億元，建設周期7年。

而最早開始工作的是西華師范大學與國家天文臺合作的50厘米雙筒望遠鏡（50BiN）。鄧李才此前在一篇撰文中寫道：2020年12月19日，賽什騰山的天文基地實現了“初光”！彼時正逢一個優質的觀測夜，第一幅科學圖像上恒星的半高全寬為0.68角秒，同時的DIMM值為0.60角秒。經多次觀測證實，50BiN的天文觀測圖像與DIMM視寧度完全吻合。

“所以從已經建成和正在建設的規模來看，冷湖已經是中國最大的天文臺?！编嚴畈疟硎荆袄浜蛘吒玫倪@種天文臺址，將會承載中國天文學科未來的發展?！?/p>

由2020年春分和秋分的全天相機夜間監控照片合成的24小時星軌圖。研究團隊供圖

值得一提的是，除了成為國內新崛起的最大天文臺址，冷湖也有著其全球價值。“一些極致的物理環境會發生一些跟基本自然規律相關的物理現象，這種現象稍縱即逝，現在能對這些現象取得成果的優良的天文臺全部分布在西半球，東半球整個區域都沒有?！编嚴畈盘岬?，這也就意味著，有一天如果發生這么一件事情，但是它發生在西半球的白天，那么天文學家就錯過了這個取得重大原創性科學成果的機會。

“冷湖在東半球上補上了這個點，我們就形成了一個24小時可以監測的網絡，所以這也是對全世界天文學界的一個貢獻?！?/p>

2020年4月13日，全天相機監控照片的投影轉換，完整的銀河拱門與賽什騰主峰相互映襯。研究團隊供圖。